核聚变优势、商业化与装置部件拆解

聚变磁体从铜基到低温超导、高温超导不断技术演变。

1.核聚变是未来能源终极方案

核聚变反应是轻原子核结合成较重原子核并释放能量的过程。与核裂变能相比，核聚变能具有能量密度高、绿色环保、燃料充足、安全性高等优势，是人类未来理想终极能源的首要选择。 • 实现核聚变反应，需要同时满足三个条件：足够高的温度（T）、一定的密度（n）和一定的能量约束时间（τE），三者的乘积称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值（5×102 1m−3 ·s·keV）能产生有效的聚变功率输出。

2.核聚变商业化：公私合作模式加速核聚变进程

根据FIA发布的《2024年全球核聚变行业报告》，2024年核聚变行业已吸引超过71亿美元的投资，其中新资金超过9亿美元，公共资金增长了57%，达到4.26亿美元。许多私营核聚变公司获得了重要融资，其中包括Xcimer公司（1亿美元）、SHINE公司（9000万美元）和Helion公司（6500万美元）。 据FusDIS不完全统计，截至2025年6月24日，全球核聚变私营公司装置数量为53个，其中在运、在建、规划分别为11、5、37个；分国家来看，美国核聚变私营公司装置数量最多，占比超过一半，其中在运、在建、规划分别为5、4、21个。

3.关键部件拆解：磁体系统、偏滤器、包层系统

核聚变装置关键部件——超导磁体系统

聚变磁体从铜基到低温超导、高温超导不断技术演变。磁体系统是磁约束聚变装置的核心元件，由于超导体具有零电阻效应，能够有效改善长脉冲稳态运行，20世纪后期开始被用于托卡马克装置，未来聚变堆要向着稳态核聚变能源方向发展，全超导托卡马克是稳态运行的基础。

ITER建造成本中，磁体系统占比最高（28%），共有超导大型磁体48个，具体包括：18个纵场线圈（TF）、6个极向场线圈（PF）、6个中心螺管线圈组成的中心螺管（CS）和18个校正场线圈（CC），其中TF和PF采用Nb3Sn超导线，CS和CC采用NbTi超导线。

目前已经发现超过5000余种超导材料，但能够在工程实践中得到广泛应用的仍然相对有限。仅低温超导材料NbTi和Nb3Sn，以及高温超导材料BiSrCaCuO、(Re)BaCuO和MgB2在工程实际中得到应用。

核聚变装置关键部件——偏滤器

偏滤器（Divertor）作用：排出来自聚变等离子体的能流和粒子流；屏蔽来自器壁的杂质，减少对芯部等离子体的污染；排出核聚变反应过程中的氦灰等产物，并提取有用的热量用于发电。

服役环境严苛：直接与等离子体相互作用，承受来自等离子体的强粒子流和高热流的冲击。

按材料体系分为钨偏滤器和碳基偏滤器：相比碳基材料（石墨、CFC），钨具有耐高温、溅射率低、低氢滞留率、导热系数高和强度高等优点。ITER在2013年之前采用石墨盒体式偏滤器，之后采用全钨偏滤器设计。

核聚变装置关键部件——包层系统

 包层系统（Blanket）为聚变装置提供中子和高热负荷的屏蔽。ITER包层系统采用模块化设计，共计440块，总重量约1500吨，每个模块由第一壁 (First Wall，简称FW)、屏蔽块(Shield Module)以及柔性支撑等组成。• 第一壁：提供了包层系统与等离子体的界面并屏蔽等离子体运行时产生的高热负荷，由面向等离子体材料、中间热沉材料以及后面支撑背板材料三部分组成，主要连接工艺为热等静压。 • 屏蔽模块——炉膛“耐火砖”：为ITER装置提供中子屏蔽并导出等离子体产生的高热流，保护真空室及外围设备。